نویسنده : مهدی ریحانی زاده 

پلیمرها و کامپوزیتها در سازه های هوایی

پلیمرها و کامپوزیتهای تقویتشده با الیاف، در چند دهه اخیر جزو اصلی صنعت هوافضا شدهاند. این مواد به خاطر استحکام بالا و وزن کم، مقاومت در برابر خستگی و خوردگی و همچنین امکان طراحی متنوع، ضمن صرفهجویی در مصرف سوخت، وزن سازهها را کاهش میدهند. به همین دلیل، امروزه در هواپیماهای مدرن مانند Dreamliner 787 Boeing و A350 Airbus، کاربرد فراوان دارند.

اهمیت کامپوزیتها در سازههای هوایی

تا مدتها آلیاژهای آلومینیوم سری ۲۰۰۰ و ۷۰۰۰ یا تیتانیوم، اصلیترین انتخاب در طراحی سازههای هوایی بودند. اما وزن و حساسیت به خوردگی و برخی محدودیتهای طراحی، مهندسان را بهسمت مواد سبکتر و مقاومتر سوق داد. با حضور کامپوزیتها یعنی ترکیبی از الیاف تقویتی )کربن، شیشه و آرامید( و ماتریس پلیمری، این هدف تحقق یافت.

•    فلزات معمولًا ایزوتروپ (Isotropic) هستند؛ یعنی خواص مکانیکیشان در هر جهت یکسان است. همین ویژگی باعث میشود در طراحی سازه فلزی، ابعادی بیشتر از حد بهدلیل جهتِ ضعیفتر، لحاظ شود.

•   در مقابل، کامپوزیتها ناهمسانگرد (Anisotropic) بوده و میتوان خواصشان را با تغییر جهت الیاف، دقیقاً در مسیر تنشهای اصلی سازه تنظیم کرد.

یکی از مهمترین مزایای کامپوزیتها، نسبت بالای استحکام به وزن است که حداقل میتواند دو برابر آلیاژ آلومینیوم پیشرفته باشد. معیاری برای مقایسه عملکرد مواد در هوافضا مدول یانگ تقسیم بر چگالی است:

کامپوزیتها بر اساس این معیار، نسبت به فلزات عملکرد بهتری دارند که خود منجر به کاهش وزن، کاهش مصرف سوخت و افزایش برد میشود.

مهمترین مزیت های کامپوزیتها در هوافضا

استفاده گسترده از کامپوزیتها در نسل جدید هواپیماها بهخاطر مجموعهای از مزایای کلیدی است:

.۱ کاهش وزن و مصرف سوخت

در بوئینگ ۷۸۷ و ایرباس A350، بیش از ۵۰ درصد وزن ساختار از مواد کامپوزیتی ساخته شده که این مساله کاهش وزن جدی و صرفهجویی سوخت به همراه دارد.

.۲ مقاومت در برابر خستگی

فلزات در برابر بارهای سیکلی )مانند فشار و ارتعاش( دچار رشد ترک میشوند، اما لایهلایه بودن کامپوزیتها راه رشد ترک را میبندد و عمر کاری آنها را زیاد میکند.

.۳ مقاومت در برابر خوردگی

خوردگی گالوانیکی )بین دو فلز متفاوت( در سازههای فلزی رایج است اما در کامپوزیتها، به دلیل ماهیت غیر فلزی رزین و الیاف، این مشکل عملًا وجود ندارد و هزینه نگهداری کاهش مییابد.

.۴ قابلیت طراحی ویژه

در کامپوزیتها، میتوان با انتخاب آرایش و جهتدهی لایهها، خواص مکانیکی هر نقطه از سازه را متناسب با نیروهای وارد، بهینه ساخت. این قابلیت، وزن و مصرف ماده را به حداقل میرساند.

.۵ میرایی ارتعاشات

پلیمرها، مخصوصاً ترموپلاستیکها، ذاتاً میرایی بالایی دارند و ارتعاشات موتور و توربولانسها را بهتر جذب میکنند و باعث راحتی بیشتر پرواز و کاهش استهلاک میشوند.

اجزای کامپوزیت: ماتریس و الیاف

کامپوزیت از دو بخش اصلی تشکیل شده است:

الف( ماتریسهای پلیمری

ماتریس وظیفه دارد الیاف را کنار هم قرار دهد و بار بینشان را توزیع کند و الیاف را از آسیبهای سطحی یا شیمیایی محافظت کند.

•    رزینهای ترموست )مثل اپوکسی:( بعد از پخت، ساختار شبکهای میگیرند. اپوکسی بیشترین استفاده را در هوافضا دارد )چسبندگی و مقاومت بالا.( بیسملیمید (BMI) گزینهای برای دمای زیاد کنار موتور است.

•   رزینهای ترموپلاستیک PEKK) :(PEEK, با گرمشدن دوباره ذوب میشوند و همین باعث میشود قابلیت تعمیر و بازیافت و جوشکاری مجدد داشته باشند.

ب( الیاف تقویتی

عامل تعیینکننده اصلی خواص مکانیکی، الیاف هستند.

•   الیاف کربن :(CFRP) استحکام و سختی بالا نسبت به وزن. بدنه، فریم و بالهای هواپیما )اصلیترین بخشها( با آنها ساخته میشود.

•   الیاف شیشه :(GFRP) ارزانتر و عایق الکتریکی، بیشتر برای اجزای فرعی یا کابین و رادومها.

•   آرامید )مانند کولار:( مقاومت بالا در برابر ضربه، برای پوستههای محافظ در موتور یا پوستههایی که به جذب انرژی انفجار نیاز دارند.

فرآیندهای ساخت قطعات کامپوزیتی

ساخت قطعات کامپوزیتی هواپیما به کنترل دقیق دما، فشار، رطوبت و نسبت الیاف به رزین نیاز دارد تا سازهای با حداقل حفره و استحکام بالا بهدست آید.

اتوکلاو و Prepreg Lay-up .۱

الیاف از پیشآغشتهشده با رزین (Prepreg) طبق آرایش مدنظر روی قالب قرار میگیرند و بعد از بستهبندی در اتوکلاو، تحت فشار و دمای کنترل شده پخت میشوند تا قطعه کاملًا متراکم ساخته شود.

RTM .۲

الیاف خشک در قالب قرار گرفته و رزین مایع تحت فشار وارد قالب میشود و پس از اشباع، فرآیند پخت کامل میگردد. مناسب برای قطعات پیچیده و تولید انبوه.

.۳  OoA )بدون اتوکلاو(

در روشهایی مانند VARTM، رزین تحت تاثیر خلاء به الیاف خشک تزریق شده و پخت در فشار اتمسفریک انجام میشود. مناسب قطعات بزرگتر یا کاهش هزینه.

.۴ AFP )رباتیک/خودکار(

ربات، نوارهای کامپوزیتی را با دقت بالا طبق زاویه و چیدمان مشخص روی قالب قرار میدهد. برای ساخت قطعات بزرگ و پیچیده هواپیما مانند بال یا بدنه.

بازرسی و تعمیر (MRO)

آسیبهای داخلی کامپوزیتها )مثل دلمینیشن یا ضربه( با چشم قابل مشاهده نیستند، بنابراین روشهای استاندارد بازرسی و تعمیر اهمیت دارند.

آزمونهای غیرمخرب

•   تست فراصوت :(UT) ارسال موج صوتی و تشخیص ایراد با مشاهده قطع و برگشت سیگنال

•    ترموگرافی مادون قرمز :(IRT) پیدا کردن ناهماهنگی حرارتی در سطح

•    شیاروگرافی لیزری: شناسایی تغییر شکل سطح به دلیل آسیب

روشهای معمول تعمیر

•    وصلهگذاری Bonding) :(Patch برداشتن بخش آسیب دیده و جایگذاری با وصله جدید

•    ترمیم با تزریق رزین: مخصوص ترکهای سطحی و ریز

•    کیت تعمیر فوری Kits) :(Field برای پروازهای اضطراری یا پایگاه دور

فناوریهای نوین

.1   پرینت سهبعدی Printing) :(۳D ساخت قطعات پیچیده کابین با ترموپلاستیکهایی مثل PEEK، حتی همراه با فیبرکربن پیوسته .(CFF)

.2   کامپوزیت خودترمیمشونده: تعبیه کپسول رزین درون ساختار، ترکهای داخلی کوچک خودبهخود توسط آزاد شدن رزین ترمیم میشوند.

 .۳ پایش سلامت سازه :(SHM) افزودن نانولوله کربنی یا گرافن برای پایش تغییر مقاومت الکتریکی سازه، شناسایی آسیب و کرنش همزمان با استفاده روزمره. .۴ ترموپلاستیکهای پیشرفته و قابلیت جوشکاری مجدد: اتصال گرم و مستقیم قطعات بدون نیاز به پیچ و پرچ

بازیافت و پایداری

رزینهای ترموست قابل ذوب مجدد نیستند؛ برای بازیابی الیاف از دو روش اصلی استفاده میشود:

•    پیرولیز: حرارتدهی در غیاب اکسیژن

•    سولولیز: تخریب گرمایی با حلال شیمیایی

رزینهای زیستپایه: استفاده از مواد گیاهی برای کاهش ردپای کربن و مشکلات زیستمحیطی صنعت هوافضا